TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Bartłomiej OSZCZAK 1 Rafał OCHODEK 2 Słowa kluczowe (po polsku), RTK, GNSS, ATV, GSM/GPRS, UMTS, DGPS, ASG-EUPOS WYKORZYSTANIE SATELITARNYCH METOD POMIARÓW I TECHNOLOGII GSM/GPRS W PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIU POJAZDU ATV. Streszczenie Głównym założeniem realizacji pomiarów badawczych było wykazanie, że istnieje możliwość wykorzystywania korekt różnicowych systemu ASG EUPOS w precyzyjnym pozycjonowaniu pojazdu ATV. Celem badawczym było wykonanie analizy dokładności pozycjonowania pojazdu metodami pomiarów: autonomiczną, RTK i DGPS w czasie rzeczywistym, a także pomiarów metodą DGPS obliczonych w post processingu. Na pojeździe został zainstalowany wysokiej klasy dwuczęstotliwościowy odbiornik GPS Ashtech Z Xtreme, wykorzystywany do jednoczesnego pomiaru metodą autonomiczną i RTK. W tym samym czasie, za pomocą odbiornika nawigacyjnego Thales MobileMapper, zarejestrowano surowe dane obserwacyjne i wykonano pomiar metodą DGPS serwisu KODGIS systemu ASG EUPOS. W artykule przedstawione zostały wyniki pomiarów i wnioski dotyczące eksperymentu z wykorzystaniem pojazdu ATV. UTILISATION OF SATELLITE MEASUREMENTS METHODS AND GSM/GPRS TECHNOLOGY IN PRECISE ALL TERRAIN VEHICLE POSITIONING. Abstract The purpose of the article was to show possibilities of differential corrections utilization of polish ASG-EUPOS system in all terrain vehicle precise positioning. Research was made in Olsztyn and analysis of vehicle accuracy in real time using RTK and DGPS methods of 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji i Gospodarki Przestrzennej, Katedra Geodezji Satelitarnej i Nawigacji, ul Heweliusza 5, 10-957 Olsztyn,tel: + 48 89 523-34-81,Fax:+ 48 89 523-47-23, email:bartlomiej.oszczak@kgsin.pl, www.kgsin.pl 2 mgr inż. Rafał Ochodek, 43-386 Świętoszówka 112 woj. śląskie; e-mail:rafoch112@gmail.com
2 Bartłomiej OSZCZAK, Rafał OCHODEK positioning and absolute method of positioning were done. On the vehicle high quality measuring equipment dualfrequency GPS receiver Ashtech Z Xtreme and navigation receiver ThalesMobileMapper were mounted. There were also mounted two modems collecting differential corrections of NAWGIS and KODGIS services of ASG EUPOS. Observations were done in real time and in post-processing using two satellites receivers. 1. WSTĘP System monitorowania pojazdów wykorzystuje zestaw pomiarowy, składający się z odbiornika sygnału satelitarnego oraz modemu komunikacyjnego [1,2]. Architektura systemu GPRS umożliwia zdalną transmisję danych pakietowych zarówno z pojazdu do centrum jak i w przeciwnym kierunku [3,4]. Pierwsze rozwiązanie pozwala określić i wysłać pozycję do centrum zarządzania flotą pojazdów, natomiast odbiór danych, na przykład korekt różnicowych (poprawek) z systemu ASG EUPOS[5,6], umożliwia znaczące zwiększenie dokładności pozycjonowania pojazdów. W sytuacji, gdy wysoka i gęsta zabudowa uniemożliwia odbiór sygnałów satelitarnych, naprzeciw wychodzą nowoczesne technologie odbioru sygnału pozycyjnego oferowane przez systemy wspomagania pozycjonowania - na przykład europejski system EGNOS [7,8]. W niniejszym artykule podjęto aktualny temat zasadności korzystania ż precyzyjnego pozycjonowania pojazdów oraz przedstawiono jego zalety i wady jako systemu. 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE 2.1 Konfiguracja modułów GSM/GPRS/EDGE IGTS-R do odbierania korekt różnicowych z systemu ASG EUPOS. Przed przystąpieniem do pomiarów terenowych zostały skonfigurowane 2 moduły komunikacyjne GSM służące do odbioru korekt różnicowych (poprawek) w czasie rzeczywistym na pojeździe ATV. Zastosowano moduły GSM/GPRS typu IGTS R. Pierwszy moduł podłączono do dwuczęstotliwościowego odbiornika geodezyjnego Ashtech Z Xtereme w trybie pomiaru RTK i zastosowano następujące czynności konfiguracyjne: - uruchomienie modułu, wejście w menu M1.Konfiguracja za pomocą klawisza OK, - wybranie za pomocą kursora opcji K3.Zmiana PIN i wciśnięcie przycisku OK, - wprowadzenie za pomocą kursorów PIN:0000; i zatwierdzenie klawiszem OK, - wybranie operatora GSM poprzez M1.Konfiguracja > K8.Operator GPRS > K8.1 PLUS, wyłączenie modułu, - zdjęcie panelu przedniego i włożenie karty SIM (ang. Subscriber Identity Module), ponowne zamontowanie panelu frontowego i uruchomienie modułu, - wybranie następujących opcji M1.Konfiguracja > K2.Wybór Ntrip > K2.1 Pobierz > K2.3 Z Listy > NAWGEO_RTCM_2_3VRS w celu określenia strumienia poprawek z systemu ASG EUPOS, - wybranie opcji M3.Odbiór Ntrip w celu rozpoczęcia odbioru danych pakietowych.
WYKORZYSTANIE SATELITARNYCH METOD POMIARÓW 3 I TECHNOLOGII GSM/GPRS W PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIU POJAZDU ATV Drugi, identyczny moduł GSM, został skonfigurowany do odbioru korekt różnicowych typu KODGIS z systemu ASG EUPOS. Następnie moduł ten podłączono do nawigacyjnego odbiornika kodowego Thales MobileMapper. Anteny odbiorników GPS zostały zamontowane na pojeździe ATV (rys. 1.). Antenę geodezyjną Ashtech Geodetic IV, Rev. B, stabilnie przymocowano na stelażu pojazdu typu ATV. Odbiornik Thales MobileMapper posiada wbudowaną antenę GPS. Z tego powodu urządzenie zamontowano, za pomocą dedykowanego uchwytu, bezpośrednio przy drugiej antenie. Rys. 1. Odbiornik geodezyjny Ashtech Z Xtreme oraz antena Ashtech Geodetic 4, odbiornik nawigacyjny Thales MobileMapper z anteną, dwa moduły komunikacyjne GSM/ IGTS R zamontowane na pojeździe ATV YAMAHA GRIZZLY 2.1 Wykonanie pomiarów metodami RTK i DGPS na pojazdzie ATV i wykonanie obliczeń kameralnych. Analiza dokładności trasy pojazdu ATV została wykonana na terenie miasta Olsztyn. Prace i pomiary w terenie zostały wykonane w dniu 8 maja 2010 roku. W eksperymencie wykorzystano specjalistyczny sprzęt pomiarowy, w skład którego weszły następujące komponenty: pojazd terenowy ATV Yamaha Grizzly
4 Bartłomiej OSZCZAK, Rafał OCHODEK geodezyjny odbiornik dwuczęstotliwościowy Ashtech Z Xtreme firmy Ashtech, antena geodezyjna Ashtech Geodetic IV, Rev. B (ASH701975.01B), odbiornik nawigacyjny Thales MobileMapper firmy Thales Navigation, dwa moduły komunikacyjne GSM/GPRS IGTS R firmy INS Sp. z o. o. okablowanie O godzinie 12:37 wyruszono z ulicy Towarnickiego w Olsztynie po zaplanowanej trasie. Po zgraniu danych z kodowego odbiornika Thales MobileMapper wykonano obliczenia w postprocessingu, a następnie wykorzystując plik *.csv, za pomocą dostępnej w internecie witryny www.gpsvisualizer.com, został utworzony plik KMZ, który po uruchomieniu w programie Google Earth Pro, umożliwił wizualizację trasy przejazdu pojazdu typu ATV ulicami Olsztyna. (rys. 2.) Rys. 2. Wizualizacja trasy przejazdu pojazdu pojazdu ATV (program ThalesMobileMapper Office, obliczenia metodą DGPS w postprocessingu). Droga rejestrowanego przejazdu charakteryzowała się dość zróżnicowaną dostępnością sygnału satelitarnego, ze względu na występującą wysoką zabudowę osiedlową oraz tereny o różnorodnym stopniu zadrzewienia (rys. 3.)
WYKORZYSTANIE SATELITARNYCH METOD POMIARÓW 5 I TECHNOLOGII GSM/GPRS W PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIU POJAZDU ATV Rys. 3. Wykres obrazujący zalezność pomiędzy liczbą obserwowanych satelitów i współczynnikiem PDOP (pomiar metodą absolutną w odbiorniku Thales Z-Xtreme).
Różnica we współrzędnej X [m] 6 Bartłomiej OSZCZAK, Rafał OCHODEK Po rejestracji danych dokonano zestawień parami poszczególnych metod pomiarowych: autonomicznej, w post processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn oraz w trybie pomiaru RTK z wykorzystaniem korekt serwisu NAWGEO. Za najdokładniejszą metodę pomiarów w badaniach uznano RTK z racji świadczonej przez system ASG EUPOS dokładności pomiarów rzędu kilku centymetrów. Anteny odbiorników ze względów technicznych zostały umieszczone na quadzie w odległości około 15 centymetrów od siebie, co w nieznacznym stopniu miało wpływ na różnice otrzymanych wyników pomiarów. Po zgraniu danych kolejnym krokiem opracowania było przeliczenie współrzędnych: szerokości geodezyjnej B, długości geodezyjnej L i wysokości elipsoidalnej H na elipsoidzie GRS80, otrzymane z pomiaru odbiornikiem Thales MobileMapper, na współrzędne kartezjańskie X, Y i Z na elipsoidzie GRS80 w pakiecie programowym GeoNet firmy ALGORES SOFT poprzez aplikację Unitrans ver. 8.1. W wyniku dokonanego przeliczenia otrzymano współrzędne w jednolitym układzie dla użytych w czasie badań odbiorników i dokonano porównań wyznaczeń współrzednych pozycji w czasie (rys.4,5,6,7,8,9.) 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16 Różnice we współrzędnej X pomiędzy opracowaniem w post - processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO ΔX Rys. 4. Różnice we współrzędnej X pomiędzy współrzędnymi pojazdu ATV uzyskanymi metodzie DGPS (odbiornik Thales MobileMapper w post processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn) i pomiarem RTK (Thales Z-Xtreme) z wykorzystaniem korekt różnicowych (poprawek) z systemu ASG EUPOS
Różnica we współrzędnej Z [m] Różnica we współrzędnej Y [m] WYKORZYSTANIE SATELITARNYCH METOD POMIARÓW 7 I TECHNOLOGII GSM/GPRS W PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIU POJAZDU ATV Różnice we współrzędnej Y pomiędzy opracowaniem w post - processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO 2 0-2 -4-6 -8 ΔY Rys. 5. Różnice we współrzędnej Y pomiędzy współrzędnymi pojazdu ATV uzyskanymi metodzie DGPS (odbiornik Thales MobileMapper w post processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn) i pomiarem RTK (Thales Z-Xtreme) z wykorzystaniem korekt z systemu ASG EUPOS Różnice we współrzędnej Z pomiędzy opracowaniem w post - processingu w oparciu o stację referencyjną Olsztyn i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12-14 -16-18 -20-22 -24-26 -28-30 ΔZ Rys. 6. Różnice we współrzędnej Z pomiędzy współrzędnymi pojazdu ATV uzyskanymi metodzie DGPS (odbiornik Thales Mobile Mapper w post processingu w
Różnica we współrzędnej Y [m] Różnica we współrzędnej X [m] 8 Bartłomiej OSZCZAK, Rafał OCHODEK oparciu o stację referencyjną Olsztyn) i pomiarem RTK (Thales Z-Xtreme) z wykorzystaniem korekt z systemu ASG EUPOS Różnice we współrzędnej X pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO 19 17 15 13 11 9 7 5 3 1-1 -3-5 ΔX Rys. 7. Różnice we współrzędnej X pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt różnicowych z systemu ASG EUPOS (odbiornik Thales X- Xtreme) 8 Różnice we współrzędnej Y pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO 6 4 2 0-2 -4-6 ΔY
Różnica we współrzędnej Z [m] WYKORZYSTANIE SATELITARNYCH METOD POMIARÓW 9 I TECHNOLOGII GSM/GPRS W PRECYZYJNYM POZYCJONOWANIU POJAZDU ATV Rys.8. Różnice we współrzędnej Y pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt różnicowych z systemu ASG EUPOS (odbiornik Thales X- Xtreme) 26 23 20 17 14 11 8 5 2-1 -4-7 -10 Różnice we współrzędnej Z pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt z serwisu NAWGEO ΔZ Rys. 9. Różnice we współrzędnej Z pomiędzy metodą autonomiczną i pomiarem RTK z wykorzystaniem korekt różnicowych z systemu ASG EUPOS (odbiornik Thales X- Xtreme) W czasie opracowania pomiarów stwierdzono liczne przerwy w zarejestrowanych obserwacjach zarówno w odbiorniku Ashtech Z Xtreme, jak i w nawigacyjnym odbiorniku Thales MobileMapper. 3.WNIOSKI Głównym założeniem realizacji pomiarów badawczych było wykazanie możliwości efektywnego wykorzystywania korekt różnicowych systemu ASG EUPOS w precyzyjnym pozycjonowaniu pojazdu ATV. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono w stopniu dostatecznym sprawne działanie wykorzystywanych w teście skomplikowanych technicznie systemów, takich jak: ASG EUPOS, GPRS i precyzyjnych satelitarnych metod pomiarów: RTK i DGPS. Jednakże nie udało się uniknąć perturbacji pomiarowych, wynikających głównie z problemów natury technicznej, zarówno po stronie systemu ASG EUPOS jak i po stronie sprzętu pomiarowego. Na uwagę zwraca bardzo długi czas konfiguracji i przygotowywania aparatury technicznej sięgający nawet kilku godzin. W pomiarze wykorzystano geodezyjny odbiornik dwuczęstotliwościowy Ashtech Z Xtreme w zestawie z geodezyjną anteną Ashtech Geodetic IV, Rev. B, pracujący w trybie
10 Bartłomiej OSZCZAK, Rafał OCHODEK pomiaru RTK, oraz nawigacyjny odbiornik kodowy Thales MobileMapper. pracujący w trybie pomiaru DGPS. Odbiornik Ashtech Z Xtreme, monitorujący pojazd na terenach wysokiej zabudowie i terenach zadrzewionych, miał trudności z rejestracją sygnału satelitarnego generowanego przez satelity systemu GPS. Na przeważającym odcinku obserwowanej trasy liczba dostępnych satelitów oscylowała wokół wartości 4 5 rzadko wzrastając do liczby 6 8. W odmienny sposób działał odbiornik kodowy Thales MobileMapper, w którym minimalna liczba obserwowanych satelitów wyniosła 6, maksymalna wyniosła 9. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowanie modułów GSM/GPRS/EDGE IGTS R do odbioru poprawek różnicowych z oferowanych serwisów systemu ASG EUPOS pozwoliło na skorygowanie wyznaczanych współrzędnych pozycji pojazdu ATV. Rejestracja korekt serwisu NAWGEO (pomiar RTK) dla odbiornika Ashtech, z nielicznymi przerwami spowodowanymi problemami technicznymi odbioru sygnału satelitarnego przez odbiornik, nie przysporzyła żadnych trudności technicznych. Niestety, w dniu realizacji badań, pomimo prób, odbiór korekt z serwisu KODGIS dla odbiornika kodowego Thales MobileMapper byl bardzo utrudniony z nieznanych przyczyn. Z powodu trudności technicznych udało się zarejestrować poprawki KODGIS dla zaledwie kilkunastu epok pomiarowych korygujących położenie pojazdu, co stanowiło niewielki procent całej badanej trasy przejazdu pojazdu ATV. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że wizualizacja trasy pojazdu za pomocą ogólnodostępnych aplikacji takich jak Zumi czy Google Earth Pro na ekranie komputera pozwala na sprawną, szybką i przede wszystkim dokładną lokalizację obiektu, co może ułatwić pracę w przyszłości na przykład służbom ratunkowym, policji, straży pożarnej. 4. BIBLIOGRAFIA [1] Oszczak B., Templin T., Monitoring of cars during European Rally Championships in Poland, Demonstration project for the 6 th Framework Programme 1 st GALILEO Call, Activity D: ProDDAGE project: Demonstration on DGPS/EGNOS on Inland Waterways DESIW on Great Masurian Lakes, Mrągowo 24-26.10.2005 (on CD-ROM), (2005) [2] Oszczak B., GPS na podium, NAWI nr 7(9), 2005 Dodatek do Geodety, str. 17. (2005), [3] Ciecko A., Oszczak B., Oszczak S., (2006), Drive-By DTM GPS and GSM Power Cost-Effective Terrain Modeling GPS World, Vol. 17, No. 4, April 2006, pp. 44-49. [4] Oszczak B, Ciećko A., Nowoczesny system teletransmisji danych GSM/GPRS w monitoringu i nawigacji satelitarnej, NAWI nr 7(9), 2005 Dodatek do Geodety, str. 15. [5] Bosy J., Graszka W., Leonczyk M.: A multifunctional precise satellite positioning system in Poland, European Journal of Navigation, vol. 5 (4) wrzesień 2007 [6] Graszka W.: Wielofunkcyjny system precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego ASGEUPOS, Geodeta, Geoinformational Magazine, vol. 2 (141), 2007 [7] Cydejko J., Oszczak S.: First Results of Satellite Positioning with Using EGNOS System Test BED (ESTB) Signal in Poland, Proceedings of the IX International Scientific and Technical Conference on Marine Traffic Engineering, Szczecin, 2001, pp. 17-27. [8] Mięsikowski M., Nowak A., Oszczak B., Specht C., EGNOS Accuracy performance in Poland, Annual of Navigation, listopad 2006